哈勃太空望遠鏡發現不該存在的黑洞吸積盤

義大利羅馬第三大學（Università degli Studi Roma Tre）天文學家斯特凡諾·比安奇（Stefano Bianchi）教授等人透過哈勃太空望遠鏡觀察1.3億光年遠的螺旋星系NGC 3147，結果意外在其中心的超大質量黑洞（supermassive black hole）周圍，很靠近黑洞之處發現一個瘋狂轉動的薄物質盤。爭議之處在於：根據現行天文理論，這裡不該有這樣的物質盤！

這個物質盤離超大質量黑洞接近到讓物質運動速度和重力拉扯的強度都會影響到光子看起來的模樣。如果不以相對論來解釋的話，根本無法說明觀測到的物質盤為何會呈現如此模樣。反過來說，由於天文學家從未在可見光波段如此清晰地看到過愛因斯坦廣義相對論和狹義相對論同時造成的效應，而現在既然真的在離黑洞這麼近的地方觀測到這樣的物質盤，那麼這就是個難得而獨特的機會，可以測試廣義相對論中以時空曲率來描述重力，以及狹義相對論中描述時間與空間之間關係的說法。

像在NGC 3147這類星系裡的超大質量黑洞因為其重力無不足以規律地捕獲到足夠的物質，使得它們常常會營養不良。所以落往超大質量黑洞的物質通常在黑洞周圍形成盤狀結構，稱為吸積盤（accretion disk），吸積盤通常是甜甜圈狀，而不是扁平如煎餅狀。因此，天文學家很疑惑，為何在NGC 3147星系飢餓的超大質量黑洞旁居然還能有這樣的薄盤？而且這個薄盤的狀態還如同極活躍星系才有的飽足超大質量黑洞周圍的強力吸積盤？

這個團隊解釋：在此之前，天文學家認為在某個特定光度以下，黑洞的吸積盤就不可能再存在；但NGC 3147星系中心的這項發現顯然打破了這個認知。他們發現：觀測到運動中的氣體所製造出的特徵，只能用非常靠近超大質量黑洞的薄盤內的物質繞黑洞轉動來解釋。

這些天文學家原本選擇這個星系做為研究目標，是想驗證低光度活躍星系的理論模型是否可行；低光度活躍星系的中心就是那些可吞噬物質不夠多的超大質量黑洞。該理論模型預測：當有充足的氣體被黑洞強大重力所捕獲時就會形成吸積盤。在絕大部分餵養得當的星系中心超大質量黑洞周圍，這些邊繞黑洞快速旋轉、邊往黑洞靠近的吸積盤物質會發射出大量的光，使星系中心異常明亮，稱之為類星體（quasar）。一旦拉往吸積盤的物質少了，吸積盤就會開始分裂，變得比較暗，盤狀結構因而改變。

NGC 3147星系中新發現的這個薄盤就像是正常類星體縮減版，一般來說要光度比NGC 3147中心類星體亮一千倍、甚至十萬倍的類星體才會有類似的吸積盤。所以現行氣體動力理論模型應用在低光度活躍星系這一塊是失敗的，天文學家得想辦法修正了。而且根據相對論，由於其位置處在深受超大質量黑洞的強大重力場影響之處，所以來自吸積盤的光已經被改變過了，天文學家可恰好就此討論靠近黑洞的動力學過程。

NGC 3147中心的超大質量黑洞的質量大約相當於太陽的二億五千萬倍。哈勃太空望遠鏡上的光譜儀偵測的NGC 3147黑洞周圍薄盤物質運度速度接近光速的一成，這已經是非常快的速度了。在這樣的速度下，向地球方向行進的氣體似乎會變亮，而遠離地球方向的氣體則會變暗，這稱為相對論性聚束（relativistic beaming）。哈勃太空望遠鏡觀測結果也顯示這些氣體深陷黑洞的重力井中，氣體所發出的光得掙扎著向外攀爬，使得光的波長向紅端移動，這點是廣義相對論中提及過的。透過這些光譜上的特徵，便可將星系中恆星發出的光，和黑洞周圍吸積盤氣體發出的光區分開來，只針對黑洞吸積盤氣體進行研究。

【圖：美國太空總署；文：節錄自台北天文館之網路天文館網頁；新聞訊息由林景明提供】研究全文刊登在已經出版的英國《皇家天文學會月報》